Der Hype um das leichteste Element

Im Rahmen der Dekarbonisierung und der Klimastrategie der Bundesregierung ist das Thema Wasserstoff (H2) spätestens seit dem Jahr 2020 in aller Munde. Entdeckt wurde das Element, das elfmal leichter ist als Luft und drei Viertel aller Atome im Universum ausmacht, im Jahr 1766. Erste Anwendungen waren Ballons und Zeppeline, außerdem findet der Brennstoff seit Jahrzehnten Anwendung in der Raketentechnik der Raumfahrt. In Deutschland wird ein Großteil des Wasserstoffs in der chemischen Industrie (Ammoniak- und Methanolherstellung) sowie in Raffinerien (Produktionsprozesse von modernen Kraftstoffen) verwendet. Zukünftig könnte das Anwendungsspektrum von Wasserstoff auf zahlreiche weitere Felder ausgeweitet werden und Wasserstoff als Energieträger eine entscheidende Rolle für die Sektoren Stromerzeugung, Mobilität, Wärme- und Kälteversorgung sowie industrielle Prozesse einnehmen.

 

Farbenlehre

Wasserstoff an sich ist ein farbloses Element. Es haben sich jedoch zahlreiche Farbbezeichnungen etabliert, welche einen Rückschluss auf die Erzeugungsart des Wasserstoffs geben. Der bislang verwendete Wasserstoff wird meist mittels fossiler Kraftstoffe erzeugt (grauer Wasserstoff). Erdgas oder Kohle wird dabei unter Hitze in Wasserstoff und CO2 umgewandelt. Circa 10 Tonnen CO2 entstehen bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff auf diese Art und Weise. Zukünftig soll ein Großteil des Wasserstoffs grün erzeugt werden, also durch Elektrolyse von Wasser unter ausschließlicher Verwendung von regenerativ erzeugtem Strom. Neben den Bezeichnungen des grauen und grünen Wasserstoffs wird außerdem auch noch von blauem, türkisem und pinkem Wasserstoff gesprochen. Als pink wird Wasserstoff bezeichnet, bei welchem statt Strom aus erneuerbaren Energien, Strom aus Kernkraft für die Erzeugung zum Einsatz kommt. Bei türkisem Wasserstoff wird Erdgas thermisch in Wasserstoff und Kohlenstoff gespalten (Methanpyrolyse) unter Ausschluss von Sauerstoff. Dadurch entsteht fester Kohlenstoff (Carbon Capture and Utilization), es wird kein CO2 freigesetzt. Blauer Wasserstoff wird wie grauer Wasserstoff durch die Verbrennung fossiler Energieträger hergestellt. Ein Großteil des anfallenden CO2 wird jedoch abgeschieden und eingelagert (Carbon Capture and Storage). Diese Art der Wasserstofferzeugung wird von vielen Kritikern als Greenwashing angesehen. Was die CO2-Bilanz angeht ist nur grüner Wasserstoff eine klimaverträgliche Option.

 

Anwendungen im Bereich Wärmebereitstellung

Um Energie in Form von Wärme bereit zu stellen kann Wasserstoff klassisch verbrannt werden über speziell auf Wasserstoff ausgelegte Brennwertkessel. Diese sind derzeit noch eine Nischenanwendung, da Wasserstoff als Energieträger nicht für die breite Masse verfügbar ist. An ingenieurstechnischen Herausforderungen wie höheren Flammengeschwindigkeiten oder einem größeren Flammbarkeitsbereich von Wasserstoff gegenüber konventionellen Brennstoffen wird derzeit mit Eifer gearbeitet.

Eine weitere Möglichkeit der Wasserstoff-Nutzung bieten Brennstoffzellen, in welchen Wasserstoff unter Zugabe von Sauerstoff in einem Katalysator oxidiert wird. Dabei handelt es sich um eine sogenannte „kalte Verbrennung“, welche weit unterhalb der Temperatur einer sichtbaren Flamme stattfindet. Brennstoffzellen arbeiten nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung und können somit gleichzeitig Strom und Wärme bereitstellen, wodurch sehr hohe Wirkungsgrade möglich sind. Insofern die benötigte Wärmeenergie die Strommenge übersteigt ist eine anschließende Umwandlung des Stroms über Heizstäbe einfach realisierbar. Entscheidend ist in jedem Einzelfall ein auf den Endnutzen passend dimensioniertes Gesamtsystem. Es existiert mittlerweile eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insgesamt einen hohen Leistungsbereich abdecken. Die Einsatzmöglichkeit ist daher für Kleinanwendungen in Privathaushalten bis hin zu Großverbrauchern im industriellen Maßstab gegeben.

 

Speicher und Transportmedium

Wasserstoff ist vielfältig in seiner Anwendung. Der Energieträger kann als Speicher zum Ausgleich von saisonalen Schwankungen dienen sowie als Transportmedium für Energie über weite Strecken. Bis zu zehn Volumen-Prozent Wasserstoffbeimischung im Erdgasnetz Deutschlands ist bedenkenlos realisierbar, im Labor wurden bereits Tests mit wesentlich höheren Anteilen an Wasserstoff erfolgreich durchgeführt. Langfristig sind auch reine Wasserstoffnetze denkbar.

Die Speicherung von Wasserstoff kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist die Speicherung in Druckbehältern durch das Verdichten mit Kompressoren, eine andere die Flüssiggasspeicherung durch Kühlung sowie Verdichten. Des Weiteren kann Wasserstoff in hochporösen Materialien physikalisch gebunden werden (Adsorptionsspeicherung), und durch die Absorption im Metallhydridspeicher existiert eine Variante, eine chemische Verbindung zwischen Wasserstoff und einem Metall bzw. einer Legierung zu erzeugen. Außerdem kann das deutsche Gasnetz künftig als Speicher fungieren. Ebenfalls in Diskussion und Erforschung stehen Untergrundspeicher wie Salzkavernen- sowie Porenspeicher für die Speicherung großer Mengen von Wasserstoff. Diese Speicherarten unterscheiden sich stark in ihren Kosten, Umwandlungs- sowie Speicherverlusten, Dimensionen sowie zahlreichen weiteren Faktoren. Je nach Anwendungsbereich sollten unterschiedliche Speichermedien miteinander verglichen werden.

 

Ausblick einer Wasserstoffwirtschaft

Bislang wird der deutsche Energiehunger größtenteils durch Importe gestillt, rund 70 Prozent des Primärenergieverbrauchs werden derzeit importiert (maßgeblich Mineralöle, Erdgas, Steinkohle sowie Uran). Durch die Ausrichtung hin zu einer grünen Wasserstoffwirtschaft ist der Autarkiegrad Deutschlands daher steigerungsfähig. Allerdings ist eine vollständige Unabhängigkeit von Importen nach aktuellen Prognosen bei weitem nicht möglich. Bei Importen sei angemerkt, dass der Transport von Wasserstoff mittels Schiffs-/Güterverkehr eine sehr teure Angelegenheit ist, welche zudem mit erheblichen Wirkungsgradverlusten einhergeht. Eine möglichst regionale Erzeugung ist daher auch bei Wasserstoff zu bevorzugen.

Um Wirkungsgradverluste zu vermeiden, sollte regenerativ erzeugter Strom stets möglichst direkt genutzt werden, insofern der Energieverbrauch in den Sektoren Mobilität, Wärme und Industrie dadurch gedeckt werden kann. Die Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyseuren sollte als Flexibilitätsoption angewandt werden, wenn Lastverschiebungen es erforderlich machen, das fluktuierende Angebot an Wind- und Sonnenstrom dem Verbrauch anzupassen. Ebenso können Wasserstoff, oder aus diesem erzeugte synthetische Kraftstoffe, in Anwendungsbereichen, für welche die Batterietechnik keine ausreichende Leistungsdichte aufweist, die Kraftstoffbasis für den Transportsektor der Zukunft darstellen.

Quellen:

https://www.energie-experten.org/heizung/gasheizung/gasheizungsanlage/wasserstoff-heizung.html

https://www.youtube.com/watch?v=eMCbJdYXWLU

https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/primaerenergiegewinnung-importe

https://www.greenpeace-energy.de/fileadmin/user_upload/broschuere-wasserstoff.pdf

 

Autor: Daniel Bogner-Haslbeck